[发明专利]一体化毫米波有源相控阵天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种阵列天线和毫米波有源相控阵天线技术。

背景技术

最近几年，随着动中通业务的快速发展，毫米波单片集成电路和高速数字处理芯片的飞速进步，使得高密度集成的毫米波有源相控阵天线的应用成为可能。我国在轨卫星系统和通信数据链的广泛应用，机载、弹载、箭载等平台对相控阵天线的传输速率及安装空间要求越来越高，要求相控阵天线具备增益高、体积小、重量轻、波束扫描灵活、覆盖范围宽等要求，使得毫米波有源相控阵天线的应用非常迫切。

毫米波有源相控阵天线及其技术的高度发展，受到国内外各方面的高度重视，比如，在1987年，J.Kinzel等人发表的文献“V-band space-based phased arrays”（MicrowaveJournal）首先提出了毫米波有源相控阵天线的砖块式子阵和瓦片式子阵技术的概念。在毫米波有源相控阵天线中，砖块式子阵采用元器件放置方向垂直于相控阵天线阵面孔径，线子阵电路采用纵向集成横向组装（LITA）。瓦片式子阵将元器件放置方向平行于相控阵天线阵面孔径，面子阵电路采用横向集成纵向组装（TILA）。但该文献没有给出砖块式子阵和瓦片式子阵的具体设计方案和实现方法。在1995年，D.Mcpherson等人发表的文献“Active phased arrays for millimeter wave communications applications”（IEEE Military Communications Conference）公开了美国Lockheed Martin公司的用于卫星通信的60GHz的砖块式有源相控阵天线，该毫米波相控阵天线由5块1×16单元的砖块式子阵组成，每个砖块式子阵有6个有源单元，其它10个无源单元接匹配负载，采用强迫风冷进行散热设计。遗憾的是，砖块式子阵技术很难将天线罩集成到毫米波有源相控阵天线之中，不能实现毫米波有源相控阵天线结构功能的一体化设计。

在2010年，S.Holzwarth等人发表的文献“Highly integrated8x8antenna array demonstrator on LTCC with integrated RF circuitry and liquid cooling”（The Fourth European Conference on Antennas and Propagation）报道了德国IMST公司为卫星通信终端开发的Ka频段8×8瓦片式毫米波相控阵天线，该毫米波相控阵天线采用LTCC技术实现了微流道散热设计，采用数字波束形成（DBF）技术实现了相控阵天线扫描。由于采用的是DBF技术体制，该毫米波相控阵天线的波束扫描是在设备终端的数字基带上实现的，因此对采用移相器芯片设计的毫米波有源相控阵天线的参考价值不大。

2012年，赵青在“电讯技术”期刊上发表了一篇题为“一种Ka频段瓦片式TR组件子阵集成方案”的文献，给出了一种采用多层电路技术，内置带状线功率分配网络，脊波导-微带探针等手段进行设计的毫米波瓦片式TR组件子阵集成方案。该方案的不足之处在于，TR组件的每个通道单独使用一个移相器，导致芯片数量和高低频互联线多，无法做到低成本和可靠性设计。此外，该文献也没有给出高密度集成的毫米波TR组件的散热设计方案，无法保证TR组件的长时、可靠工作，不具备工程可实现性。

2012年，J.Hacker等人发表的文献“A16-element transmit/receive Q-band electronically steerable subarray tile”（IEEE MTTS,Microwave Symposium）报道了美国Teledyne Scientific公司的44GHz瓦片式有源相控阵天线，该瓦片式有源相控阵天线采用4×4子阵进行设计，每个子阵的体积为13.64mm×13.6mm×1.1mm，能实现±45°扫描，单通道输出功率3.5mw。其不足之处是，该瓦片式有源相控阵天线没有考虑热设计，设计的单通道输出功率小，不适合单通道输出功率大于50mw的毫米波有源相控阵天线设计。在天线结构设计上也没有考虑结构承载功能，不能形成与系统平台结构高度融合并直接承载环境载荷的毫米波有源相控阵天线。